Seung-ho Lee，国立产业技术综合研究所（以下简称“AIST”）多材料研究部 主要研究人员为中部大学工学部应用化学系樱井诚教授、大阪大学研究生院工学研究科中野隆吉教授和名古屋工业大学春日敏博教授。我们与名誉教授合作，开发了MgO-ZnO-P2O5-SiO22型玻璃。
生物玻璃在放入体内时通过直接与骨骼和活体组织结合而表现出生物活性，并作为填充骨缺损、治疗牙周病和护理过敏的材料投入实际应用。生物医用玻璃中以磷酸盐为主要成分的磷酸盐玻璃，可以掺入多种元素，且元素可以以无机离子的形式洗脱。细胞功能可以被激活。另一方面，过多的无机离子供应可能会抑制细胞功能。在无机离子中，锌被认为是参与骨形成的重要生物微量元素，也是具有抗菌特性的元素，但它可能对细胞有毒，因此在开发利用锌离子的生物材料时，必须严格控制其洗脱行为。
这一次，玻璃网络结构MgO-ZnO-P，以锌为成分形成8994_9053|并控制其溶出量，以实现优异的抗菌性能和促进骨形成的功能2O5-SiO22型玻璃。常规磷酸盐玻璃由磷酸盐PO4四面体通过共价氧键相互结合长链结构我们这次开发的玻璃具有独特的玻璃网络结构，不含有因共价氧键而产生的长链结构。这项研究结果表明，从玻璃中洗脱锌和其他成分可以提高与骨形成相关的基因的表达水平，创造出新的生物适应性材料的发展做出贡献
该研究结果的详细信息将于 2025 年 9 月 6 日（欧洲中部时间）公布。高级保健材料
生物材料是与生物体直接接触的材料，用于治疗、修复和功能支持的目的。在20世纪60年代和1970年代，开发了植入生物体时不会造成任何有害影响的生物相容性材料，自20世纪80年代以来，研究重点集中在生物活性材料和生物可吸收材料。近年来，通过细胞活化而具有组织再生功能的材料的开发变得活跃。其中，生物玻璃由于与活体直接接触时会洗脱出活化细胞、促进骨形成的无机离子，因此被用作骨缺损的填充材料和牙齿修复材料。
生物医学玻璃中以磷酸盐为主要成分的磷酸盐玻璃，与常用的窗玻璃的硅酸盐玻璃相比，可以掺入多种元素。玻璃中含有的无机成分容易以无机离子的形式溶出，具有优异的细胞活化功能。然而，过量会抑制细胞功能。因此，为了制造以磷酸盐玻璃为基材和激活细胞功能的无机成分的生物医用玻璃，需要严格控制从玻璃中溶出的无机离子的量。
AIST正在推进以磷酸盐玻璃为基材的生物玻璃的开发，旨在利用无机离子制造具有细胞活化功能的生物玻璃。特别是，我们正在开发生物玻璃，通过适当设计和控制玻璃的网络结构，同时考虑要引入的元素及其在玻璃中的作用，优化材料中的离子洗脱行为。
这项研究得到了日本学术振兴会 (JSPS) KAKENHI 赠款 (22K18201、23KK0272、24K22400)、双边交流项目 (120258813)、玻璃联合会和新玻璃论坛玻璃研究促进计划的支持。
形成玻璃骨架结构（玻璃网络结构）的基本单元是磷（P）和硅（Si），以氧（O）为四个顶点，是PO的磷酸盐4四面体和硅酸盐 SiO4它们是四面体，称为网络形成组件。另一方面，碱金属和碱土金属如钠（Na）和钙（Ca）被称为网络改性组分，并且是非桥接氧
锌 (Zn) 和镁 (Mg) 既可以作为网络形成组分，也可以作为网络改性组分，但当不加控制地引入到玻璃中时，ZnO6和氧化镁6该结构的键合力比磷或硅弱，因此它不充当形成玻璃骨架结构的网络形成组分，而是充当网络改性组分。
新开发的MgO-ZnO-P2O5-SiO2玻璃(SPG-CZ/-MCZ/-MZ)含有锌和镁、ZnO4四面体，氧化镁4四面体形式，PO4四面体或 SiO4它用于连接四面体。一般来说，如果磷酸盐和硅酸盐等网络形成成分不相互连接，它们就很容易结晶，无法制造玻璃。制造磷酸盐和硅酸盐共存于玻璃网络结构中的玻璃是困难的，只有当任一组分的含量极大时才有可能获得玻璃。此外，磷酸盐玻璃的网络形成成分组成较低（P2O5内容)也可以被玻璃化。所开发的玻璃为PO4四面体或 SiO4四面体独立存在，彼此不相连，中间有ZnO4四面体和氧化镁4由于该结构由连接的四面体组成，因此磷酸盐和硅酸盐在玻璃网络结构内大量共存。
已开发玻璃中的 PO4四面体或 SiO4四面体单独存在，彼此不相连正四面体存在31P，29硅固态核磁共振分析（固态NMR）确认（图1）。例如，采购订单4如果存在两个四面体相连的结构，31P MAS-NMR 峰在 -10 ppm 附近，PO4如果多个四面体连接形成链状结构，则在-20 ppm 附近会出现峰。同样，29Si MAS-NMR 也，SiO4当两个四面体连接时，在-80 ppm 附近出现峰，当形成链结构时，在-85 ppm 附近出现峰。
这次为了使锌和镁发挥网络形成成分的作用，形成玻璃骨架结构的P2O5, PO4控制组成，使四面体难以相互连接。因此，SPG-MZ和SPG-MCZ玻璃，尤其是同时引入锌和镁的玻璃，是PO4，二氧化硅4，氧化镁4，氧化锌4的正四面体形成玻璃网络结构。
图 1 显影玻璃31P（左），29Si（右）固态核磁共振谱。 (SPG-MC: MgO-CaO-P2O5-SiO2玻璃（传统原硅酸盐玻璃），SPG-CZ: CaO-ZnO-P2O5-SiO2玻璃，SPG-MCZ：MgO-CaO-ZnO-P2O5-SiO22玻璃，SPG-MZ：MgO-ZnO-P2O5-SiO22玻璃)
*原始论文中的数字被引用或修改。
虽然引入玻璃的锌离子具有优异的抗菌性能和化学耐久性的优点，但如果过度洗脱到生物体中，它们也可能对细胞有毒。因此，在开发利用锌的生物材料时，需要将锌离子的洗脱量控制在不对细胞产生毒性的范围内。新开发的玻璃中引入的锌是ZnO4由于它是一种玻璃网络形成成分，将磷酸盐和硅酸盐牢固地连接成四面体，因此它极大地抑制了玻璃中的各种离子（包括锌）洗脱到细胞中。在传统的不含锌的原硅酸盐玻璃（图2（a）中的SPG-MC）中，约40%的离子在7天内洗脱，而在新开发的含有适量锌的玻璃（图2（b-d）中的SPG-CZ/-MCZ/-MZ）中，我们能够在浸泡7天内将玻璃中各种离子的洗脱率抑制到3%以下，这低于是普通玻璃的十分之一。从开发的玻璃（SPG-CZ/-MCZ/-MZ）中洗脱的锌离子量低于008 mM，低于01 mM，即抑制细胞增殖50%的浓度。此外，通过评估人成骨细胞的增殖，我们证实洗脱的锌离子不会引起细胞毒性。
图2 将展开的玻璃在Tris 缓冲溶液（pH 74）中浸泡指定时间后的离子洗脱速率。 (SPG-MC: MgO-CaO-P2O5-SiO2玻璃（传统原硅酸盐玻璃），SPG-CZ: CaO-ZnO-P2O5-SiO2玻璃，SPG-MCZ：MgO-CaO-ZnO-P2O5-SiO22玻璃，SPG-MZ：MgO-ZnO-P2O5-SiO22玻璃)
*原始论文中的数字被引用或修改。
为了确认锌离子的抗菌特性，我们在含锌玻璃中培养大肠杆菌和金黄色葡萄球菌 24 小时后检查了细菌数量（图 3）。如果细菌数量比无玻璃培养的细菌数量减少两个数量级或更多（图中对照），则可以判断该材料具有抗菌性能。不含锌的玻璃（SPG-MC）显示出与对照相同数量的细菌，表明它不具有抗菌特性。另一方面，新开发的含锌玻璃（SPG-CZ/-MCZ/-MZ）不仅在图表上显示细菌数量减少了两位数，而且显示出接近设备可计数下限的值（空白：仅使用不含细菌的培养基测量）。为了获得更详细的细菌计数，我们对琼脂培养基上形成的菌落数进行了计数（图3，内表），发现它具有优异的抗菌性能，将细菌数量减少了约6个数量级。
图3 用展开的玻璃(SPG-CZ/-MCZ/-MZ)培养24小时后(a)大肠杆菌和(b)金黄色葡萄球菌的数量。内表：使用琼脂培养基计数的细菌数。
（空白：无细菌，对照：存在细菌，样品名称：细菌 + 每个玻璃样品）
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。
我们还研究了它促进骨形成的能力。成骨细胞在骨形成的各个阶段，典型表达的基因是早期的I型胶原蛋白（Col I），中期的碱性磷酸酶（ALP）和骨桥蛋白（OPN），后期的骨钙素（OCN）。通过测量这些基因的表达水平，可以评估促进骨形成的效果。一般来说，如果该值是比较目标的15倍或更多，则可以确定基因表达得到了促进。与对照（使用加速骨形成的成骨分化诱导培养基）相比，在含有从开发的玻璃中洗脱的离子的培养基（SPG-CZ/-MCZ/-MZ）中培养的人成骨细胞显示，所有成骨相关基因的中期ALP和晚期OCN的基因表达水平超过50倍（图4）。此外，含锌玻璃的基因表达水平显着高于不含锌的玻璃。特别是，在成骨后期表达的OCN，在含锌玻璃中的基因表达水平比在不含锌玻璃中高约18倍。这些结果表明，所开发的玻璃具有抗菌特性和促进骨形成的作用，并表明玻璃网络结构的设计允许引入的锌以适当的浓度洗脱。
图4 使用含有从显影玻璃(SPG-CZ/-MCZ/-MZ)中提取的离子的细胞培养基培养人成骨细胞2周后骨形成相关基因的相对表达水平。 (a) I 型胶原蛋白 (Col I)，(b) 碱性磷酸酶 (ALP)，(c) 骨桥蛋白 (OPN)，(d) 骨钙素 (OCN)。
(对照：成骨分化诱导培养基，样品名称：含有从各玻璃中洗脱的无机离子的培养基)
*原始论文中的数字被引用或修改。
未来我们将利用所开发的玻璃的抗菌特性和促进骨形成的作用来生产牙科材料组织工程走向细胞支架材料
已出版的杂志：高级保健材料
标题：双功能正硅磷酸盐MgO-CaO-ZnO-P的制备2O5-SiO2眼镜：抗菌活性和成骨细胞基因表达行为的体外评估
作者姓名：Sungho Lee*、Hayato Asano、Makoto Sakurai、Takayoshi Nakano 和 Toshihiro Kasuga
DOI：101002/adhm202502546